(57)【要約】【課題】二つの物質を重ね合わせたときにできる対向面間のギャップをなくすことなく接合できるレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法及び装置を提供すること。【解決手段】二つの物質６、７を重ね合わせた重ね合わせ対向面６ａ、７ａ間のギャップＧ近傍に高エネルギ短パルスレーザを集光レンズ４で集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合方法であって、第１高エネルギ短パルスレーザＬ１をギャップＧ近傍に集光照射し多光子吸収を起してギャップＧを減少させるギャップ減少ステップと、前記ギャップ減少ステップで減少したギャップ部に第２高エネルギ短パルスレーザＬ２を集光照射して二つの物質６、７を接合する接合ステップと、を有することを特徴とする。
2011115242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合方法であって、
前記二つの物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光照射し前記ギャップを減少させるギャップ減少ステップと、
前記ギャップ減少ステップで減少したギャップ近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光照射して前記二つの物質を接合する接合ステップと、
を有することを特徴とするレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項２】
前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなる、請求項１に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項３】
前記ギャップ減少ステップは、多光子吸収の後にアブレーションを起こしてデブリを発生させ前記デブリで前記ギャップを減少させる、請求項２に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項４】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項２に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項５】
二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合装置であって、
前記物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光して第１集光スポットを形成し、前記第１集光スポットの近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光して第２集光スポットを形成する光学系を備えることを特徴とするレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項６】
前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなる、請求項５に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項７】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項６に記載の二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項８】
前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向と交差する方向に沿って形成する請求項６に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項９】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項６に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項１０】
前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向に沿って形成する請求項９に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ部に一方の物質を透過させて高エネルギ短パルスレーザを集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合方法及び接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つの物質を上下に重ね合わせて接合するためには、上の物質で吸収される波長のレーザを上の物質表面付近に集光して重ね合わせ部まで達する深とけ込みを起こさせる必要がある。深とけ込みを起こさせるためには、高パワーのレーザを必要とする。また、高パワーで接合すると熱歪みが大きくなり、高パワーによる接合は精密部品には適していなかった。【０００３】
最近、上記の問題を解消するために、上の物質で吸収されない波長の高エネルギ短パルスレーザを上の物質表面側から重ね合わせ界面に集光照射し多光子吸収を起こして接合する方法が開示された（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６６６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、二つの物質を重ね合わせると重ね合わせ対向面間にギャップ（隙間）ができる。ギャップがあると良好に接合されない。そこで、上記従来の接合方法では、加圧機器の加圧板で重ね合された二つの物質を狭持して加圧することでギャップをなくそうとしている。【０００６】
しかし、加圧しても必ずギャップがなくなるとは限らず、僅かなギャップが残る恐れがある。また、加圧板で狭持して加圧する方法は、加圧機器を必要とし、接合するのに長時間を要する。さらに、加圧板で狭持して加圧する方法を精密部品や脆性材に適用することは困難である。【０００７】
そこで、発明者は、図１２に示すように２枚のガラス板５１、５２を重ね合わせた対向面５１ａ、５２ａ間のギャップ（例えば、５μｍの隙間）に（例えば、５μｍの厚さの）リボンガラス５３を介在させ（すなわち、ギャップをなくして）、ガラス板５１を透過する波長の高エネルギ短パルスレーザＬをレンズ５０で集光照射する方法を考案した。レンズ５０の焦点がギャップの中間に合わされ、ビームウエストのレーリーレンジＺｒがリボンガラス５３の厚さより大きくなるように設定される。レーリーレンジＺｒの範囲はエネルギ密度が高いので、その範囲では多光子吸収とその後の蓄熱による溶融が起こり、ガラス板５１、５２が接合される。【０００８】
しかし、上記の方法では、リボンガラスのような別の物質がギャップに介在させられなければならない。したがって、この方法は接合に時間が掛かるといった問題を有している。また、ガラス板５１、５２を重ね合わせたときにできるギャップの大きさは様々であり、重ね合わせたときのギャップの大きさ測定してそのギャップの大きさと同じ厚さのリボンガラスを挿入することは難しい。ギャップの大きさに近い厚さのリボンガラスを挿入することができたとしても、リボンガラス５３とガラス板５１、５２間に新たにギャップができる可能性もある。【０００９】
そこで、本発明は、二つの物質を重ね合わせたときにできる対向面間のギャップをなくすことなく接合できるレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合法方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
課題を解決するためになされた本発明に係るレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法は、二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合方法であって、  前記二つの物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光照射し前記ギャップを減少させるギャップ減少ステップと、前記ギャップ減少ステップで減少したギャップ近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光照射して前記二つの物質を接合する接合ステップと、を有することを特徴とする。【００１１】
ギャップ減少ステップで多光子吸収が誘起され、ギャップが減少或いは無しにされる。接合ステップでは、そのギャップが減少或いは無しにされた部分に第２高エネルギ短パルスレーザが集光照射されるので二つの物質を接合することができる。【００１２】
上記の接合方法において、前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなるとよい。【００１３】
接合ステップで二つの物質を溶融接合することができる。【００１４】
また、前記ギャップ減少ステップは、多光子吸収の後にアブレーションを起こしてデブリを発生させ前記デブリで前記ギャップを減少させるとよい。【００１５】
デブリは集光照射領域の周辺に比較的広く発生するので、ギャップが減少する或いは無くなる領域が広くなる。その結果、接合ステップで第２高エネルギ短パルスレーザを集光照射する際、集光スポットの位置決めが容易になる。【００１６】
また、前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなるとよい。【００１７】
二つの物質の対向面における集光照射領域近傍が熱膨張するので、ギャップが確実に減少或いはなくなる。【００１８】
課題を解決するためになされた本発明に係るレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置は、二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合装置であって、  前記物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光して第１集光スポットを形成し、前記第１集光スポットの近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光して第２集光スポットを形成する光学系を備えることを特徴とする。【００１９】
上記の接合装置において、前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなるとよい。【００２０】
また、前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向と交差する方向に沿って形成するとよい。【００２１】
第１集光スポットによるデブリ領域に第２集光スポットが形成されるので、ギャップ減少ステップと接合ステップとを同時に行うことができる。【００２２】
また、前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなるとよい。【００２３】
また、前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなるとよい。【００２４】
また、前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向に沿って形成するとよい。【００２５】
第１集光スポットによる熱膨張領域に第２集光スポットが形成されるので、ギャップ減少ステップと接合ステップとを同時に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
ギャップ減少ステップで多光子吸収を起こし、ギャップを減少させる或いはなくすことができる。接合ステップは、そのギャップが減少した或いはなくなった部分に第２高エネルギ短パルスレーザを集光照射するので二つの物質を接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態１に係るレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置の概略構成図である。
【図２】実施形態１の第１高エネルギ短パルスレーザＬ１と第２高エネルギ短パルスレーザＬ２を模式的に示す図である。
【図３】図１のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図４】図３のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図５】パルス列生成手段のブロック図である。
【図６】実施形態２に係るレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置の概略構成図である。
【図７】実施形態２の第１集光スポットＰ１と第２集光スポットＰ２を同時に形成する光学系の変形態様を示す図である。
【図８】実施形態３に係るレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置の概略構成図である。
【図９】実施形態３の第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａと第２高エネルギ短パルスレーザＬ２を模式的に示す図である。
【図１０】実施形態３の第１集光スポットＰ１と第２集光スポットＰ２を同時に形成する光学系の変形態様を示す図である。
【図１１】ガラス板６、７のギャップＧが５μｍになるように重ね合わされ、第１集光スポットＰ１がギャップＧ付近に形成され、ギャップがデブリで埋められた状況を示す顕微鏡写真である。
【図１２】本発明者が考案したギャップを有する二つの物質の重ね合わせ接合方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態が図面に基づいて以下に詳しく説明される。
（実施形態１）
本実施形態のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置は、図１に示すように、レーザユニット１から出力される第１高エネルギ短パルスレーザＬ１をレンズ４で例えば２枚のガラス板６、７の重ね合わせ部に集光照射するように構成されている。２枚のガラス板６、７は、重ね合わせたときの対向する面６ａと７ａとの間にギャップＧをもち、ＸＹＺ移動ステージ５の上にセットされている。
【００２９】
第１高エネルギ短パルスレーザＬ１の波長は、例えば１．５μｍである。レーザＬ１は、図２ａに示すように、パルス（時間）幅が３００ｆｓ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、パルスエネルギが１０μＪ（ピークパワー３．３ＭＷ）のパルス列である。
【００３０】
集光レンズ４として、例えば、倍率５０倍の対物レンズを用いると、レーザを回折限界近く（波長オーダ）まで集光することができる。
【００３１】
上記のような高エネルギ短パルスレーザＬ１を集光レンズ４で集光すると、透明なガラスでも最初のパルスｕ１１で多光子吸収を起こし、屈折率が変化して波長１．５μｍのレーザを吸収できるようになる。吸収できるところに次々とパルスｕ１２、ｕ１３・・・が照射されると、アブレーションを起こし、デブリを発生する。
【００３２】
＜ギャップ減少ステップ＞
図３は、第１高エネルギ短パルスレーザＬ１を集光レンズ４で集光照射しながらＸＹＺ移動ステージ５をＹ方向に走査した後の図１におけるＡ１−Ａ１線断面図である。図４は、図３のＡ２−Ａ２線断面図であるが、第１集光スポットＰ１が通過した領域７ｂは凹溝になり、凹溝７ｂの両側にデブリ７ｃが堆積する。デブリ７ｃの厚さｈがギャップＧに等しくなるように、例えば、Ｙ方向の走査速度を調整すれば、デブリ７ｃが堆積した部分のギャップはゼロになる。
【００３３】
＜接合ステップ＞
次に、ＸＹＺ移動ステージ５で２枚のガラス板６、７がＸ方向に所定ピッチ（数μｍ）移動させられる。次に、跳ね上げられていた可動ミラー２が点線で示す位置に下ろされて第２高エネルギ短パルスレーザＬ２がレンズ４に入射され、ＸＹＺ移動ステージ５でガラス板６、７がＹ方向に走査される。すると、第２集光スポットＰ２はデブリ７ｃが堆積したガラス７の対向面７ａ上をＹ方向に移動する。
【００３４】
このとき、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２が、図２ａに示すように、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０１（ｕ０１１、ｕ０１２、ｕ０１３・・・）と、溶融を起こす高繰り返しパルス列Ｌ０２（ｕ０２１、ｕ０２２、ｕ０２３・・・）とからなると、ガラス板６、７は次のように接合される。すなわち、ｕ０１１が照射されるとガラス板６、７のギャップ近傍は多光子吸収を起こし、その屈折率が変化して波長１．５μｍのレーザを吸収できるようになる。吸収できるようになったところに次々とパルスｕ０２１、ｕ０２２・・・ｕ０２８が照射されると、８個のパルスによる熱がギャップ近傍に蓄積されてその部分の温度が上昇しその部分が溶融する。すなわち、ガラス板６とガラス板７とが接合される。
【００３５】
多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列Ｌ０１は、例えば、パルス（時間）幅が３００ｆｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、パルスエネルギが１０μＪ（ピークパワー３．３ＭＷ）のパルス列である。また、多数のパルスによる蓄熱効果でガラスを溶融させる高繰り返し中エネルギパルス列Ｌ０２は、例えば、パルス幅が５０ｐｓ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、パルスエネルギが１μＪ（ピークパワー２０ｋＷ）のパルス列である。
【００３６】
ここで、図２に示すようなパルス列Ｌ１からパルス列Ｌ２を生成するパルス列生成手段３が説明される。
【００３７】
パルス列生成手段３は、例えば図５に示すように、パルス列Ｌ１をパルス列Ｌ１０、Ｌ２０に分波する分波器３ａと、パルス列Ｌ１０からパルス列Ｌ０１を生成する第１パルス列生成手段３ｂと、パルス列Ｌ２０からパルス列Ｌ０２を生成する第２パルス列生成手段３ｃと、合波器３ｄとを有している。
【００３８】
第１パルス列生成手段３ｂは、パルス列Ｌ１０の繰り返し周波数より小さい周波数に変更する第１光変調器と、パルス列Ｌ１０のピークパワーより大きいピークパワーに増幅する第１光増幅器を備えている。
【００３９】
第２パルス列生成手段３ｃは、パルス列Ｌ２０の繰り返し周波数より小さい周波数に変更する第２光変調器と、パルス列Ｌ２０のピークパワーより大きいピークパワーに増幅する第２光増幅器を備えている。
【００４０】
次に、パルス列生成手段３の動作が説明される。レーザユニット１から出力されるパルス列Ｌ１は、分波器３ａでパルス列Ｌ１０とパルス列Ｌ２０とに分波される。
【００４１】
パルス列Ｌ１０は、第１光変調器でパルスが間引かれて低繰り返し周波数のパルス列になる。低繰り返し周波数のパルス列は、第１光増幅器で増幅され、ピークパワーの大きなパルス列Ｌ０１になる。
【００４２】
パルス列Ｌ２０は、第２光変調器でパルスが間引かれて中繰り返し周波数のパルス列になる。中繰り返し周波数のパルス列は、第２光増幅手段で増幅され、ピークパワーが所定の大きさのパルス列Ｌ０２になる。
【００４３】
パルス列Ｌ０１とパルス列Ｌ０２とは、合波器３ｄで合波されてパルス列Ｌ０１にパルスＬ０２が重畳したパルス列Ｌ２になる。
【００４４】
本実施形態では、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２が、図２ａに示すように、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０１（ｕ０１１、ｕ０１２、ｕ０１３・・・）と、溶融を起こす高繰り返しパルス列Ｌ０２（ｕ０２１、ｕ０２２、ｕ０２３・・・）とからなる。しかし、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２を図２ｂに示すように、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０１（ｕ０１１、ｕ０１２、ｕ０１３・・・）と、溶融を起こす低繰り返し長パルス列Ｌ’０２（ｕ’０２１、ｕ’０２２、ｕ’０２３・・・）とからなるようにしても良い。溶融を起こす低繰り返しパルス列Ｌ’０２は、例えば、パルス幅が５０ｎｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、パルスエネルギ１μＪ（ピークパワー２０Ｗ）のパルス列である。
【００４５】
第２パルス列生成手段３ｃがパルス時間幅を広げる伸張手段を備えていると、上記のような低繰り返し長パルス列Ｌ’０２（ｕ’０２１、ｕ’０２２、ｕ’０２３・・・）が生成される。
（実施形態２）
実施形態１の接合装置では、ガラス板７の対向面７ａに形成した第１集光スポットＰ１がＹ方向に走査されアブレーションが起こされ、その後跳ね上げミラー２を下ろされ、集光スポットＰ１の近傍に第２集光スポットＰ２が形成され、Ｙ方向に走査されてガラス板６とガラス板７とが接合された。
【００４６】
一方、本実施形態の接合装置では、図６に示すように第１集光スポットＰ１と第２集光スポットＰ２とが対向面７ａ上に同時に形成され、ガラス板６とガラス板７とがＹ方向に走査される。
【００４７】
したがって、第１集光スポットＰ１と第２集光スポットＰ２が対向面７ａ上に同時に形成されるようにするため、本実施形態の接合装置は実施形態１の接合装置と以下の点が相違する。
【００４８】
すなわち、図１中の跳ね上げミラー２が図６に示すようにビームスプリッタ２Ａに変更され、第１高エネルギ短パルスレーザＬ１と第２高エネルギ短パルスレーザＬ２とが同時に集光レンズ４に入射される。また、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２が光軸０に対して角度θをなす方向から集光レンズ４に入射されるようにするために、図１のビームスプリッタ８が図６に示すようにミラー８Ａに変更された。集光レンズ４の焦点距離をｆ、第１集光スポットＰ１と第２集光スポットＰ２との間隔をＸ１とすると、Ｘ１＝ｆｔａｎθの関係があるので、第２集光スポットＰ２を第１集光スポットＰ１からマイナスＸ方向にＸ１だけ離すことができる。
【００４９】
本実施形態の接合装置は、ギャップ減少ステップと接合ステップを同時に行うことができるので、接合時間が短縮される。
【００５０】
集光スポットＰ１、Ｐ２をＸ方向に同時に形成する光学系としては、図６の他に、図７に示すような光学系でもよい。例えば、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）９が集光レンズ４の前に入れられると、第１集光スポットＰ１の両側に第２集光スポットＰ２が同時に形成される。
（実施形態３）
図８に示す本実施形態の接合装置は、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列と熱膨張を起こす高繰り返し低エネルギパルス列とからなる第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａを下側のガラス板７の対向面７ａから僅かに下がった位置に集光して第１集光スポットＰ１を形成し、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列と溶融を起こす高繰り返し中エネルギパルス列とからなる第２高エネルギ短パルスレーザＬ２をギャップＧの中間付近に集光して第２集光スポットＰ２を同時に形成するようにしたものである。
【００５１】
レーザユニット１から出力された高繰り返し短パルスレーザＬ０は、ビームスプリッタ２Ａで二つのレーザＬ３１、Ｌ３２に分割される。レーザＬ３１は、パルス列生成手段３Ａに入射されて変調及び増幅され、高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０３に変換される。レーザＬ３２は、ビームスプリッタ１１で二つのレーザＬ４１、Ｌ４２に分割される。レーザＬ４１は、パルス列生成手段３Ｂに入射されて変調及び増幅され、低繰り返し高エネルギ短パルスレーザＬ０４に変換される。低繰り返し高エネルギ短パルスレーザＬ０４は、ビームスプリッタ１２で二つのレーザＬ０５に分割され、分割された一方のレーザＬ０５は、ビームスプリッタ１３で高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０３と合波され、図９に模式的に示す第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａとなる。
【００５２】
ビームスプリッタ１１で分割されたレーザＬ４２は、パルス列生成手段３Ｃに入射されて変調及び増幅され高繰り返し中エネルギパルス列Ｌ０６に変換される。高繰り返し中エネルギパルス列Ｌ０６はビームスプリッタ１４で低繰り返し高エネルギ短パルスレーザＬ０５と合波され、図９に示す第２高エネルギ短パルスレーザＬ２となる。
【００５３】
多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列Ｌ０３（ｕ０３１、ｕ０３２、ｕ０３３、・・・）と熱膨張を起こす高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０５（ｕ０５１、ｕ０５２、ｕ０５３、・・・）とからなる第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａ（＝Ｌ０３＋Ｌ０５）は、リレー光学系８で拡がり角αのレーザ光に変換され、その後ビームスプリッタ１５で反射されて集光レンズ４に入射される。
【００５４】
焦点距離ｆの集光レンズ４の焦点がギャップＧの中間に合わせられると、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列Ｌ０６（ｕ０６１、ｕ０６２、ｕ０６３、・・・）と溶融を起こす高繰り返し中エネルギパルス列Ｌ０５（ｕ０５１、ｕ０５２、ｕ０５３、・・・）とからなる第２高エネルギ短パルスレーザＬ２（＝Ｌ０６＋Ｌ０５）は、ビームスプリッタ１５を透過して集光レンズ４に入射し、第２集光スポットＰ２を形成する。
【００５５】
レーザＬ１Ａの集光レンズ４でのビーム半径をｒとすると、第１集光スポットＰ１がＺ１＝｛ｒｆ／（ｒ−ｆｔａｎα）｝だけ第２集光スポットＰ２より下に形成される。
【００５６】
下側のガラス板７の対向面７ａから僅かに下がった位置に第１集光スポットＰ１が形成されると、ｕ０３１パルスにより多光子吸収が起こり、ｕ０５１、ｕ０５２、・・・パルスの蓄熱で熱膨張が起こり、点線Ｂで示す膨張ガラスでギャップＧが埋められる。
【００５７】
点線Ｂで示す膨張ガラスに第２集光スポットＰ２が形成されると、ｕ０６１パルスにより多光子吸収が起こり、ｕ０５１、ｕ０５２、・・・パルスの蓄熱で溶融が起こり、ガラス板６とガラス板７とが接合される。
【００５８】
多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギパルス列Ｌ０５は、例えば、パルス（時間）幅が３００ｆｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、パルスエネルギが１０μＪ（ピークパワー３．３ＭＷ）のパルス列である。また、多数のパルスによる蓄熱効果でガラスを熱膨張させる高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０３は、例えば、パルス幅が５０ｐｓ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、パルスエネルギが０．２μＪ（ピークパワー４ｋＷ）のパルス列である。
【００５９】
また、多数のパルスによる蓄熱効果でガラスを溶融させる高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０６は、例えば、パルス幅が５０ｐｓ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、パルスエネルギ０．２μＪ（ピークパワー４ｋＷ）のパルス列である。
【００６０】
ＸＹＺ移動ステージ５でガラス板６、７をＹ方向に走査することで、ガラス板６、７をＹ方向に連続して接合することができる。
【００６１】
集光スポットＰ１、Ｐ２をＺ方向に同時に形成する光学系としては、図８の他に例えば、図１０に示すようなフレネルレンズ４Ａを用いてもよい。上下二つの第１集光スポットＰ１で上下方向から熱膨張を起こし第２集光スポットＰ２で溶融させて接合することができる。
【００６２】
本実施形態では、第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａが、図９ａに示すように、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０３（ｕ０３１、ｕ０３２、ｕ０３３・・・）と、熱膨張を起こす高繰り返し低エネルギパルス列Ｌ０５（ｕ０５１、ｕ０５２、ｕ０５３、・・・）とからなる。しかし、第１高エネルギ短パルスレーザＬ１Ａを、図９ｂに示すように多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０３（ｕ０３１、ｕ０３２、ｕ０３３・・・）と、熱膨張を起こす低繰り返し長パルス列Ｌ０７（ｕ０７１、ｕ０７２、ｕ０７３・・・）とからなるようにしても良い。熱膨張を起こす低繰り返しパルス列Ｌ０７は、例えば、パルス幅が８０ｎｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、パルスエネルギ０．５μＪ（ピークパワー６．３Ｗ）のパルス列である。
【００６３】
本実施形態では、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２が、図９ａに示すように、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０６（ｕ０６１、ｕ０６２、ｕ０６３・・・）と、溶融を起こす高繰り返しパルス列Ｌ０５（ｕ０５１、ｕ０５２、ｕ０５３・・・）とからなる。しかし、第２高エネルギ短パルスレーザＬ２を、多光子吸収を起こす低繰り返し高エネルギ短パルス列Ｌ０６（ｕ０６１、ｕ０６２、ｕ０６３・・・）と、溶融を起こす低繰り返し長パルス列Ｌ’０５（ｕ’０５１、ｕ’０５２、ｕ’０５３・・・）とからなるようにしても良い。溶融を起こす低繰り返し長パルス列Ｌ’０５は、例えば、パルス幅が５０ｎｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ、パルスエネルギ１μＪ（ピークパワー２０Ｗ）のパルス列である。
【実施例】
【００６４】
本実施例は、図１に示す実施形態１の接合装置を用いて行われた本接合法の検証実験例である。【００６５】
実験の都合で、高エネルギ短パルスレーザＬ１とＬ２は、同じパルス列からなる。すなわち、パルスエネルギは３μＪ、波長は１０４５ｎｍ、繰り返し周波数は１００ｋＨｚである。厚さ２ｍｍの石英ガラス板６、７がギャップＧが５μｍになるように重ね合わされた。高エネルギ短パルスレーザＬ１が倍率５０倍の顕微鏡対物レンズ４で集光され、第１集光スポットＰ１がギャップＧ付近に形成された。ＸＹＺ移動ステージ５のＹ方向への走査速度は１ｍｍ／ｓｅｃである。【００６６】
図１１は、第１集光スポットＰ１でギャップＧ付近を走査した後に、上のガラス板６の上方から観察した顕微鏡写真である。真ん中の黒く見える部分がアブレーションにより溝加工された部分である。その両側に薄黒く見える部分がデブリでギャップが埋まった部分である。【００６７】
次に、デブリでギャップが埋まった薄黒く見える部分に第２集光スポットＰ２が形成された。第２集光スポットＰ２をＹ方向に１ｍｍ／ｓｅｃで走査した結果、ガラス板６と７を接合することができた。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本願発明を薄膜太陽電池の封止へ利用することが可能である。薄膜太陽電池の場合、吸収層がおよそ１−５μｍ程度ある。従来技術では、封止にＵＶ硬化等の接着剤が使用されていたが、これでは１０年程度の寿命しかない。吸収層の周囲を囲むようにガラス同士を溶接することにより接着剤を用いない封止が可能になる。又有機物を用いる太陽電池は水に弱い。樹脂による封止では水を透過させてしまうために有機層がダメージを受ける可能性があった。しかし、本願発明を用いることにより非浸水性のシールが可能となる。【００６９】
本願発明を有機ＥＬの封止へ利用することも可能である。太陽電池と同じように、ガラス同士の溶接を行うことで、非浸水性のシールを行うことができる。一般に有機ＥＬの発光層の厚みは１−２μｍ程度であり、本願発明の方法を利用することに適している。【００７０】
このほか、ガラスもしくは透明樹脂等を用いる必要のあるデバイスを安価に封止、もしくは固定するのに本願発明を利用することができる。例えば、顕微鏡やカメラのレンズなどには、曲率の異なる複数のレンズが組み合わされて使用される。この場合、二つのレンズは曲率が異なるために、重ねたときに接触する面積が非常に小さい（他の部分は接触しないで隙間があいている）。したがって、従来方法では溶接される面積が非常に小さく、十分な強度が得られない。本発明の方法を利用することにより隙間（ギャップ）のある部分も溶接できるので溶接強度が高い。【００７１】
３枚以上の組み合わせレンズでも、レンズは透明であるので一番上のレンズを透過させてレーザを照射することにより、２番目と３番目のレンズの界面を先に溶接し、その後、１番目と２番目のレンズの界面を溶接することも可能である。これは、レンズに限らず、透明材料を重ね合わせたものに対しても適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
４・・・・・・・・集光レンズ
６、７・・・・・・二つの物質
６ａ、７ａ・・・・対向面
Ｇ・・・・・・・・ギャップ
Ｐ１・・・・・・・第１集光スポット
Ｐ２・・・・・・・第２集光スポット
Ｌ１、Ｌ１Ａ・・・・第１高エネルギ短パルスレーザ
Ｌ２・・・・・・・第２高エネルギ短パルスレーザ
【図１】
2011115242.tif 000003
【図２】
2011115242.tif 000004
【図３】
2011115242.tif 000005
【図４】
2011115242.tif 000006
【図５】
2011115242.tif 000007
【図６】
2011115242.tif 000008
【図７】
2011115242.tif 000009
【図８】
2011115242.tif 000010
【図９】
2011115242.tif 000011
【図１０】
2011115242.tif 000012
【図１２】
2011115242.tif 000013
【図１１】
2011115242.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月10日(2011.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に互いに異なる２種類の高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合方法であって、
前記二つの物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光照射し前記ギャップを減少させるギャップ減少ステップと、
前記ギャップ減少ステップで減少したギャップ近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光照射して前記二つの物質を接合する接合ステップと、
を有することを特徴とするレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項２】
前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなる、請求項１に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項３】
前記ギャップ減少ステップは、多光子吸収の後にアブレーションを起こしてデブリを発生させ前記デブリで前記ギャップを減少させる、請求項２に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項４】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項２に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合方法。
【請求項５】
二つの物質を重ね合わせた重ね合わせ対向面間のギャップ近傍に互いに異なる２種類の高エネルギ短パルスレーザを集光レンズで集光照射し多光子吸収を起こして接合する接合装置であって、
前記物質の一方を透過する波長の第１高エネルギ短パルスレーザを前記対向面間のギャップ近傍に集光して第１集光スポットを形成し、前記第１集光スポットの近傍に前記一方の物質を透過する波長の第２高エネルギ短パルスレーザを集光して第２集光スポットを形成する光学系を備えることを特徴とするレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項６】
前記第２高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と溶融を起こすパルス列とからなる、請求項５に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項７】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項６に記載の二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項８】
前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向と交差する方向に沿って形成する請求項６に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項９】
前記第１高エネルギ短パルスレーザは、多光子吸収を起こす高エネルギ短パルス列と熱膨張を起こすパルス列とからなる、請求項６に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【請求項１０】
前記光学系は、前記第１集光スポットと前記第２集光スポットとを重ね合わせ方向に沿って形成する請求項９に記載のレーザによる二つの物質の重ね合わせ接合装置。
【国際調査報告】
2011115242.tif 000015
2011115242.tif 000016
2011115242.tif 000017
2011115242.tif 000018